【手続補正書】
【提出日】平成18年7月10日(2006.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼及び合金部品の熱処理加工において、加熱後の急速冷却用の冷媒として、水又は水を主成分とした廃棄しても環境を汚染することのない水溶液（以下「水」と称する）を使用し、処理品を流水中で冷却する焼入れ方法であって、流水の速度を３．０ｍ／秒以上とすることを特徴とする低歪急速水焼入れ方法。
【請求項２】
処理品が一挙に規定の流速の流水中に没入されることを特徴とする請求項１に記載の低歪急速水焼入れ方法。
【請求項３】
鋼及び合金部品の熱処理加工において、加熱後の急速冷却用の冷媒として、「水」を使用し、処理品を流水中で冷却する焼入れ装置であって、冷媒を貯留する焼入れ水槽と、該焼入れ水槽内に設けられ、処理品を載置する冷却室と、冷媒を循環させて該冷却室内の冷媒の流速を３．０ｍ／秒以上に保つ流水ポンプと、を有することを特徴とする低歪急速水焼入れ装置。
【請求項４】
処理品が冷却室に載置される前には冷媒が冷却室内に流入することを防ぎ、処理品が冷却室に載置された後には冷媒を一挙に冷却室に流入させる冷却補助装置を有することを特徴とする請求項３に記載の低歪急速水焼入れ装置。
【請求項５】
冷却室内における、水流の方向に垂直な断面の任意な位置の流水速度が、規定の流速の±１０％以内であるように調整した水路構造を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の低歪急速水焼入れ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】低歪急速水焼入れ方法及び装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼及び合金部品の熱処理加工において、焼入れ等の加熱後の急速冷却の冷媒として高速の流水を使用することで、急速で均一な冷却を行い、冷却歪と変態歪を合わせた熱処理歪の低減と冷却能の向上を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼及び合金部品の熱処理加工において、焼入れ等の加熱後の急速冷却の冷媒として鉱物油が広く使用されている。近年、急速流水による冷却で均一に冷却して冷却能を増大し、熱処理歪を低減することも本発明の発明者等によって提案（文献１）されている。この方法の範囲では熱処理後の歪は鉱物油に比して少ないとは云えない範囲である。
又、鉱物油の冷媒では熱処理後の歪が少なくないとして、冷却中に気、液の相変化が起きない中性のガスを加圧（０．５〜４．０メガパスカル）した冷媒で冷却して低歪化を図ることも実施されている。一般に、このガスによる冷却では鉱物油よりも冷却能力が低いので、従来より使用している合金鋼よりも冷却能を向上させる必要があり、より価格の高い高合金鋼の使用が要求されている。
【特許文献１】特開２００２−９７５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に使用されている鉱物油を使う焼き入れでは、歪を抑制する為に「冷媒鉱油の品質維持管理」、「冷媒鉱油の速度管理」が煩わしく、「冷媒の費用」、「処理後の冷媒除去の費用」、「冷媒が危険物なので建屋等の防災費用」等処理費用が高い。
【０００４】
歪低減用に高圧ガスを使用する場合も、これ等の「ガスの費用が高い」、「高圧ガスの保安費用が高い」、の他にガスは冷却能が低いので「材料を高合金化するための材料費が高い」等の不都合がある。
【０００５】
前記文献１で冷媒に水又は水を主成分とした廃棄しても環境を汚染することのない水溶液（以下「水」と称する）を使用し、その流速を１．０ｍ／秒以上とすることで、鉱物油や高圧ガスを使用する問題点を解決している。しかし、そこで得られる熱処理後の歪は鉱物油の場合に近いものであり、高圧ガスを使用する場合の歪には遠く及ばない。
【０００６】
本発明は、上記事情を鑑みたものであり、鋼及び合金部品の焼入れ処理工程で、より均一に冷却して歪、割れを低減する為に、処理歪をより積極的に油焼入れの場合以下に低減し、焼入れ性能を改善して低合金鋼化することで素材費と加工費を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のうち請求項１の発明は、鋼及び合金部品の熱処理加工において、加熱後の急速冷却用の冷媒として、「水」を使用し、処理品を流水中で冷却する焼入れ方法であって、流水の速度を３．０ｍ／秒以上とすることを特徴とする。このように流水の速度を３．０ｍ／秒以上とすることで、処理品の全表面をより均一急速に冷却する。このことで、全表面に於ける表面付近での温度降下及び変態開始時間の遅速が歪発生上無視出来る程度にする。また、全表面に亘って、表面付近の層に、より分厚く強固な硬化層を創生させて、後に内部で起こる冷却、変態によって発生する膨張、収縮を抑え込んで歪量を低減させる。
【０００８】
本発明のうち請求項２の発明は、処理品が一挙に規定の流速の流水中に没入されることを特徴とする。このように一挙に規定の流水（流速３．０ｍ／秒以上）中に没入することで、薄肉品や複雑形状品の焼き入れ等の急冷に際しても、全ての処理品が均一冷却される。
【０００９】
本発明のうち請求項３の発明は、鋼及び合金部品の熱処理加工において、加熱後の急速冷却用の冷媒として、「水」を使用し、処理品を流水中で冷却する焼入れ装置であって、冷媒を貯留する焼入れ水槽と、該焼入れ水槽内に設けられ、処理品を載置する冷却室と、冷媒を循環させて該冷却室内の冷媒の流速を３．０ｍ／秒以上に保つ流水ポンプと、を有することを特徴とする。このように構成することで、本発明の焼入れ方法を実施することができる。
【００１０】
本発明のうち請求項４の発明は、処理品が冷却室に載置される前には冷媒が冷却室内に流入することを防ぎ、処理品が冷却室に載置された後には冷媒を一挙に冷却室に流入させる冷却補助装置を有することを特徴とする。冷却補助装置は、稼働することで冷媒の冷却室内への流入を遮断する状態と遮断しない状態とを切り替えられるものであり、処理品に対する冷媒の流れの方向により種々の形状のものが考えられる。このような構成とすることで、冷却前に緩い速度の流水に触れて部分的に不均一な冷却が発生することを防ぐ。
【００１１】
本発明のうち請求項５の発明は、冷却室内における、水流の方向に垂直な断面の任意な位置の流水速度が、規定の流速の±１０％以内であるように調整した水路構造を有することを特徴とする。このように流速を均一化することで、冷却室内の処理品の設置位置によって冷却に遅速が起きて不均一冷却になることを防ぐ。このような水路構造としては、例えば流路に整流のための流速分布調整ガイドを設けることが考えられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の方法によれば、鋼及び合金部品の焼入れ処理に於いて、水焼入れの冷媒の流速を３．０ｍ／秒以上にすれば、焼入れ後の歪の総量を、鉱物油を使用する一般の方法よりも小さくすることが出来た。特に流速を５．０ｍ／秒以上にすれば歪をより低減出来ることが判った。このことは鋼部品の熱処理の最大の問題点である「歪」に伴う後工程の加工を大きく軽減するものである。
【００１３】
本発明の方法によれば、従来の方法より焼入れ冷却能が向上して、安価な単純炭素鋼で高硬度、高強度の鋼部品が得られるので、現状の油冷却で使用される合金鋼に比べて素材費の低減が出来る。冷媒に鉱油を使用しないので、焼入れ油そのものの費用、処理後の脱脂に要する費用、鉱油を使用することにより必要となる防災上の設備、建屋の費用が軽減出来る。素材が低合金になることでの鍛圧、切削が容易となり、前後の加工費用を低減等出来る。又、歪をより低減すると期待されている高価で危険な高圧ガスによる冷却をしなくても低歪を実現することが出来る。
【００１４】
本発明の方法によれば、冷媒として鉱油等の油脂を使用しないので、油脂そのもの及び脱脂用の溶剤も不要になり、二酸化炭素の縮減、オゾン層破壊物質の縮減に大きく貢献する。又、危険物（油脂）、高圧ガスの不使用で、作業の安全と環境の改善が出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１に急速水焼き入れ装置の一例を示す。本装置は、冷媒を貯留する焼入れ水槽１と、冷媒の流れの方向を規定する流水ダクト２と、処理品を載置する冷却室４と、を有し、冷却室４の上方で加熱炉ゾーン９と直結している。また、外気が冷却室４に入ることを防ぐため、槽内雰囲気遮断壁８が設けられている。この装置は加熱炉ゾーン９で加熱が終了した処理品を、冷却が不均一になる緩い水流等に触れないようにして冷却室４に設置して（処理品の搬入経路１１）、規定の流速の流水で一挙に冷却する。
【００１６】
冷却室４に流入する水の速度は３．０ｍ／秒以上であって、その速度は同一水路内にあるポンプ７とポンプ用動力６によって得られる。ポンプ７から排出された水は、持ち込んだ気泡を放出してから循環して再び冷却室４に入って冷却に使用される（冷却流水の流れ方向１３）。ポンプ７は水の流速を確保する為のもので、プロペラ式やその他どのような型式のものであってもよい。
【００１７】
ここで、緩い水流等に触れないようにして冷却室４に処理品を設置する方法の例を図２〜図４に示す。
図２に示すのは、処理品に対して冷媒が下方向に流れる場合であり、冷却開始前は、略筒状の処理品ガイド３と、略筒状で、処理品ガイド３の外周に密接し、上端が冷媒の液面から突出している伸縮可変処理品ガイド（冷却補助装置）１０によって、冷媒の冷却室４への流入が遮断されている。冷却時には、伸縮可変処理品ガイド１０が下方へ移動することで、冷媒が上方から冷却室４へ一挙に流入する。処理品が載置される底面はすのこ状であり冷媒の流れを妨げないが、冷却開始前は下方から吸引されているため冷却室４に冷媒が流入することはない。
図３に示すのは、処理品に対して冷媒が上方向に流れる場合であり、冷却開始前は、処理品の下方に設置された流水遮断ダンパー（冷却補助装置）１２が閉じているため、冷媒の冷却室４への流入が遮断されている。冷却時には、流水遮断ダンパー１２が開放され、冷媒が下方から冷却室４へ一挙に流入する。
図４に示すのは、処理品に対して冷媒が横方向に流れる場合であり、冷却開始前は、処理品の上流側及び下流側に設置された流水遮断ダンパー１２が閉じているため、冷媒の冷却室４への流入が遮断されている。冷却時には、二つの流水遮断ダンパー１２が同時に開放され、冷媒が上流側から冷却室４へ一挙に流入する。
【００１８】
また、冷却室４内を流れる水の速度が流れる方向と垂直の断面内で均一であることが、処理品の均一冷却には必須条件である。本発明では冷却室４内の各部の水流速が規定の流速の±１０％以内となるように流速分布調整ガイド５を取付けた。±２０％を超えると歪が著しく大きくなる場合がある。
【実施例】
【００１９】
本発明の冷却方法及び装置で実施した例を説明する。冷却水の速度と冷却能力の関係を調査する為に、焼き入れ性の高い高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２と単純炭素鋼であるＳ２５Ｃ、Ｓ３５Ｃ、Ｓ４５Ｃの４鋼種について、φ２０ｍｍ、φ４０ｍｍ、φ６０ｍｍの寸法毎にオーステナイト化加熱後に、従来からの油冷却、静止水、１．０ｍ／秒流水、３．０ｍ／秒流水で冷却して、その表面硬さと中心部の硬さを比較した。それぞれの冷却条件と焼き入れ後の硬さを表１に示す。
【表１】
2005213646.tif 000001
【００２０】
本発明の冷却方法での冷却能力は水の流速が速い程大きくなる。流速３．０ｍ／秒の流水での冷却では、単純炭素鋼でも寸法φ２０ｍｍの材料での表面の硬さは、その炭素鋼の持つ最大硬さに近い硬さ値を示している。流速を大きくすればする程、歪や欠陥なしに冷却能力を増大することが出来る。
【００２１】
本発明での主たる効果である焼入れ歪の低減調査の為に、図５に示す試片を使用した。この試片を８５０℃でオーステナイト化加熱した後に、従来からの油冷却、静止水、１．３ｍ／秒流水、２．０ｍ／秒流水、２．９ｍ／秒流水、４．８ｍ／秒の流水で冷却して、焼き入れ歪を測定した。測定の位置と方法を図６に示す。冷却後の歪の量のバラツキと平均値を表２に示す。
【表２】
2005213646.tif 000002
【００２２】
処理後の試片の歪量は、冷媒の流速が増せば増すほど低減した。試験に供した試片では、水の流速が３．０ｍ／秒を超えると、一般に実施されている鉱油による冷却よりも歪量が小さくなっている。冷却用の水の流速が増せば増すほど鋼部品の熱処理後歪は減少すると言える。小物の鋼部品では冷媒の流速３．０ｍ／秒以上での急速水焼入れは油冷却よりも、焼入れ硬さを増大にするとともに、焼入れ後の歪を低減出来る。流速を５．０ｍ／秒以上にすれば、歪をさらに低減することが出来る。
【００２３】
このことは、処理品表面での冷媒の流速が増大すれば、全表面がより均一に冷却され、短時間で表面下の深い処まで硬化（冷却、変態）する為に、内部で遅れて発生する体積変化と応力を封じ込めて外部での歪生成を妨げているからと考えられる。単に焼入れ歪の低減のみを目的とするならば、冷媒として環境負荷のない「水」だけでなく、より熱伝達率の大きい無機塩類の水溶液等を、環境対策を講じたうえで利用することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の低歪急速水焼入れ装置での処理品冷却中の全体概要図。
【図２】流水が上方から下方に向って流れる場合の処理品ガイドの例  処理品が定位置に設置された後にガイドを収縮して、上部より規定流速の流水を入れる。
【図３】流水が下方から上方に向って流れる場合の処理品ガイドの例  処理品が定位置に設置された後に下部のダンパーを開いて、下方より規定流速の流水を入れる。
【図４】流水が横方向から流れる場合の処理品ガイドの例  処理品が定位置に設置された後に上流と下流のダンパーを同時に開いて、上流より規定流速の流水を入れる。
【図５】焼入れ歪の測定に供した試片の形状寸法と材質である。
【図６】焼入れ試片の歪を測定した位置と方法である。全ての歪は溝部を凸にした円弧状の曲りであった。
【符号の説明】
【００２５】
１  焼入れ水槽
２  流水ダクト
３  処理品ガイド
４  冷却室
５  流速分布調整ガイド
６  ポンプ用動力
７  ポンプ
８  槽内雰囲気遮断壁
９  加熱炉ゾーン
１０  伸縮可変処理品ガイド（冷却補助装置）
１１  処理品の搬入経路
１２  流水遮断ダンパー（冷却補助装置）
１３  冷却流水の流れ方向